VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY ZAVEDENÍ VÝROBY ODLITKU NA SPALITELNÝ MODEL V PODMÍNKÁCH ZPS SLÉVÁRNA, A. S. IMPLEMENTATION OF INVESTMENT CASTING TECHNOLOGY IN THE COMPANY ZPS SLÉVÁRNA, A.S. DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. VOJTĚCH SLOVÁK prof. Ing. MILAN HORÁČEK, CSc. BRNO 2014
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 1 NETISKNOUT! Zadání
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 2 NETISKNOUT! Licenční smlouva - oboustranně
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 3 ABSTRAKT Cílem této diplomové práce je zhodnotit možnosti zavedení výroby odlitku na vypařitelný model v konkrétních výrobních podmínkách slévárny s důrazem na co možná nejmenší zásah do zavedeného výrobního procesu. Práce si rovněž klade za cíl, pomocí srovnání na konkrétních zkušebních odlitcích, zmapovat slabá místa této metody v daném provozu a jejich případnou optimalizaci či úplné odstranění. Klíčová slova Vypařitelný model, Slévárenství, Polystyrenový model, Metoda vypařitelného modelu, Odlitek ABSTRACT The aim of this thesis is to evaluate the possibility of introducing Full Mold technology in specific conditions of production in foundry environment. The emphasis is placed on the least possible intervention with to established manufacturing process. The work also aims, through the comparison of the specific test castings, to map the weaknesses of this technology in the company and create possible optimization or complete removal of this weaknesses. Key words Expandable pattern, Full mold, Foundry industry, Polystyrene pattern, Lost Foam, Cast BIBLIOGRAFICKÁ CITACE SLOVÁK, V. Zavedení výroby odlitku na spalitelný model v podmínkách ZPS Slévárna, a. s.. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2014. 75 s. Vedoucí diplomové práce prof. Ing. Milan Horáček, CSc..
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 4 Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Zavedení výroby odlitku na spalitelný model v podmínkách ZPS Slévárna, a. s. vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce. 10. 5. 2014. Vojtěch Slovák
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 5 Poděkování Děkuji tímto prof. Ing. Milanu Horáčkovi, CSc. za cenné připomínky a rady při vypracování této diplomové práce. Mé poděkování rovněž směřuje k vedení a zaměstnancům firmy ZPS Slévárna a. s. za bezchybné nastavení podmínek pro vypracování této práce včetně nemalých vlastních investic při praktických zkouškách. Za vedení při vypracování děkuji rovněž Ing. Davidu Pacolovi a všem spolupracovníkům, kteří se na průběhu jednotlivých zkoušek jakkoli podíleli. Poděkování patří také panu Ing. Danu Táborskému za cenné informace a zapůjčení odborné literatury.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 6 OBSAH ABSTRAKT...3 PROHLÁŠENÍ...4 PODĚKOVÁNÍ...5 OBSAH...6 ÚVOD...8 1 ÚVOD DO PROBLEMATIKY VÝROBY FOREM NA VYPAŘITELNÝ MODEL (FULL MOLD CASTING).9 1.1 Stručná historie výroby na vypařitelný model....9 1.2 Princip metody FULL MOLD.. 10 1.2.1 Děje probíhající při plnění formy..12 1.2.2 Nevýznamnější vlivy na kvalitu v procesu Full mold. 14 1.2.3 Vady vznikající u procesu Full Mold 14 1.2.4 Ekologické aspekty výroby na vypařitelný model..16 2 POSTUP VÝROBY ODLITKU NA VYPAŘITELNÝ MODEL. 17 2.1 Zhotovení vypařitelného modelu.17 2.1.1 Materiál 17 2.1.2 Způsob zhotovení modelu 17 2.1.3 Technologické specifika 18 2.1.4 Nátěr 19 2.2 Vtoková soustava.20 2.3 Specifika formování vypařitelného modelu..20 2.4 Specifika lití na vypařitelný model..21 3 OPTIMALIZACE VÝROBY NA VYPAŘITELNÝ MODEL V PROVOZU FIRMY ZPS.SLÉVÁRNA A.S.....21 3.1 Zkouška nálitků.23 3.1.1 Příprava zkoušky 23 3.1.2 Průběh zkoušky..24 3.1.3 Vyhodnocení výsledků..26 3.2 Zkouška nálitků II..28 3.2.1 Příprava zkoušky 29 3.2.2 Průběh zkoušky..30 3.2.3 Vyhodnocení výsledků..32 3.3 Zkouška nátěru..47
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 7 3.3.1 Příprava zkoušky 47 3.3.2 Průběh zkoušky..48 3.3.3 Vyhodnocení výsledků..50 3.4 Konkrétní doporučení na základě provedených zkoušek.53 4 ZHOTOVENÍ KONKRÉTNÍHO ODLITKU METODOU FULL MOLD 56 4.1 Technologická příprava výroby 57 4.2 Výroba modelu..61 4.3 Formování...62 4.4 Lití.65 4.5 Kontrola odlitku.67 4.6 Nákladové srovnání..72 5 ZÁVĚR..73 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ. 74
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 8 ÚVOD Firma ZPS Slévárna a.s. se specializuje převážně na výrobu odlitků ze šedé a tvárné litiny o hmotnosti desítek kilogramů až po několikatunové odlitky (12t). Pro odlitky menších hmotností je k dispozici plně automatizovaná výroba, která dokáže zajistit vysokou sériovost výroby. Přestože převážnou většinu zakázek společnosti tvoří objednávky na odlitky ve větších sériích, výjimkou nejsou ani požadavky zákazníků na zhotovení pouze jednoho či dvou kusů odlitku. Právě v těchto případech bývají náklady na zhotovení takového odlitku neúměrně vysoké a cena za takový odlitek se šplhá do astronomických výšin. Hlavní příčinu je třeba hledat především ve vysoké pořizovací ceně modelového zařízení. Právě snaha o snížení nákladů na výrobu takového modelového zařízení vede v poměrně širokém konkurenčním prostředí ke hledání způsobů alternativní a levnější výroby odlitku. Jednou z možností je použití výroby odlitku na vypařitelný model. Tato metoda se dá úspěšně aplikovat při výrobě těžších a rozměrnějších odlitků v menších sériích. Druhou motivací, dost úzce související s tou první, může být čas, potřebný pro výrobu samotného modelového zařízení, který se největší měrou podílí na celkové době, ve které je možno dodat zákazníkovi hotový odlitek. Díky absenci potřeby zhotovení jaderníků, snadnějšímu obrábění a jednodušší technologické přípravě na výrobu modelu lze dobu výroby samotného modelu velmi významně zkrátit, což může být v konkurenčním prostředí vedle ceny rovněž velmi významným parametrem. Posledním parametrem, který může hrát velmi důležitou roli, je také možnost rozšíření výroby o odlitky, které by za normálních podmínek byly pro firmu v daném provozu z důvodů složitosti a technologičnosti konstrukce nevyrobitelné. Kromě vyhovění požadavkům stávajících zákazníků je zde také ukryt potenciál spolupráce s novými zákazníky, jež museli být v nabídkových řízeních doposud odmítáni. Cílem této diplomové práce je zhodnotit možnosti zavedení výroby odlitku na vypařitelný model v konkrétních výrobních podmínkách slévárny s důrazem na co možná nejmenší zásah do zavedeného výrobního procesu. Práce si rovněž klade za cíl, pomocí srovnání na konkrétních zkušebních odlitcích, zmapovat slabá místa této metody v daném provozu a jejich případnou optimalizaci či úplné odstranění. Součástí práce bude také ekonomické zhodnocení a konkrétní doporučení pro vedení slévárny, zda tuto technologii zavést do provozu. Provoz slévárny v Malenovicích je navržen především pro klasické rámové formování do pískových směsí. Jistou zvláštností oproti jiným slévárnám je fakt, že většina provozu je situována ve vyvýšeném patře. Jsou zde 3 formovny, rozdělené podle velikosti odlitků, jaderna, cídírna, pískové hospodářství, tavírna, OTK, modelárna, zkrátka všechny nezbytné oddělení pro životní etapu odlitku od výkresu až po expedici. Na všech formovnách se pak formuje do směsí s vodním sklem, vytvrzovaných esterolem. Výplňová směs je tu na bentonitové bázi.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 9 1 ÚVOD DO PROBLEMATIKY VÝROBY FOREM NA VYPAŘITELNÝ MODEL (FULL MOLD CASTING) 1.1 Stručná historie výroby na vypařitelný model První zmínky o možnostech využití polystyrenu (EPS expandovaný polystyren) jako materiálu pro výrobu modelu se datují do roku 1956. O rozvoj se zasloužil prof. H.F.Shroyer, který o dva roky později získal patent (U.S. Patent #2830343) na technologii formování polystyrénového modelu do formovacích směsí s pojivem (Full Mold Casting FMC). K prvnímu komerčnímu využití metody došlo v roce 1962, kdy od Shroyera zakoupila patentová práva německá firma Grünzweig & Hartmann. Na dalším rozvoji této metody se poté výrazně podílel Adalbert Wittmoser z RWTH Aachen University, který se stal patronem této technologie a podílel se na jejím dalším šíření po celém světě. [2] Postupem času se ovšem princip této metody ubíral spíše směrem k odstranění pojivové složky ze systému (Lost Foam Casting - LFC). V roce 1964 tak M.C. Flemings, profesor na MIT (Massachusetts Institute of Technology), poprvé použil v procesu formování čistý písek bez pojiv.[1] Obr.1.1 Ukázka z patentu F.H.Shroyera
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 10 První průmyslový odlitek s hmotností 12 t byl vyroben v SRN v roce 1962 a v roce 1963 tuto technologii používalo už ve 35 slévárnách USA. V roce 1970 bylo v USA vyrobeno 400 000 t, v Japonsku 250 000 t, v SRN 150 000 t a v Anglii 50 000 t odlitků. Výsledkem bylo založení Asociace LSM (LSM technologie lití na spalitelný model) v roce 1967, která spojila 150 slévárenských provozů s celkovou výrobou 800 t odlitků/den. [8] Tyto dvě metody (LOST FOAM FULL MOLD) se dodnes prolínají napříč slévárenskými provozy a přestože hlavní rozdíl, kterým je použití pojivové vs. bezpojivové formovací směsi, je technologicky velmi významným parametrem, jsou si tyto technologie velmi podobné a ve většině případů se dají při zkoumání pochodů, provázejících výrobu odlitku, aplikovat stejné principy. Ačkoli, jak už bylo řečeno, se vývoj této metody dále ubíral spíše směrem k formování do čistého křemenného ostřiva bez pojiv, lze dnes stejně dobře využít pro výrobu odlitků i metody FULL MOLD, obzvláště pak tam, kde je vyžadováno paralelní začlenění metody do stávajícího výrobního procesu s minimem nutných změn a investic. Obě metody lití na vypařitelný model jsou známy též pod anglickými názvy Full mold casting, Lost foam casting, Cavityless casting, Evaporative foam casting, Foam vaporization casting, Lost pattern casting, Castral proces či Expanded polystyrene molding. Stejně tak jsou známy pod řadou obchodních označení jako Styro-cast, Foam Cast, Replicast či Policast. 1.2 Princip metody FULL MOLD Obr.1.2 Princip plnění formy [7] Pojem výroba odlitku na vypařitelný model je znám více jak půl století, ovšem k velkému rozvoji této technologie došlo až na konci 80. let minulého století, kdy metoda začala být používána v hromadné výrobě odlitků s vysokou přesností a tvarovou složitostí. Hnacím motorem tohoto rozvoje byly hlavně nižší náklady na výrobu takových odlitků v porovnání s tradičním procesem.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 11 V tradičním procesu výroby odlitku je model součásti ve tvaru budoucího odlitku zhotoven nejčastěji ze dřeva či umělých materiálů, zaformován a následně z formy vytažen. Do vzniklé dutiny se dle složitosti konstrukce odlitku ještě zakládají písková jádra, která vytváří v budoucím odlitku dutiny či plochy, které není z technologického hlediska možno zhotovit přímo na modelu. Naproti tomu u výroby odlitku na vypařitelný model je model odlitku vyroben ze speciálního slévárenského pěnového polystyrenu (EPS - expanded polystyrene) neobsahujícího oproti klasickému stavebnímu EPS zhášedla. Poté se PS model zaformuje do klasické formovací směsi, či nověji a častěji do písku bez pojiv. Oproti dřevěným modelům však není vytažen, ale, jak již vyplívá z názvu, je zalit roztaveným kovem při kterém dochází k odpaření polystyrénové pěny. Tavenina zaujímá prostor po spáleném modelu a vzniká tak finální tvar odlitku. Protože při lití dochází ke ztrátě PS modelu, je tato metoda vhodná spíše pro prototypovou a kusovou výrobu, nebo naopak pro velkosériovou výrobu, kdy jsou pro hromadnou výrobu PS modelů zhotovovány kovové zpěňovací formy. Obr.1.3 Porovnání konvenční metody lití a FULL MOLD
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 12 1.2.1 Děje probíhající při plnění formy Když se do formy s polystyrénovým modelem nalije kov, model se spaluje a páry procházejí přes žáruvzdorný nátěr do písku (obr.1.4a,b). Kov postupně zaujímá místo polystyrénového modelu. Mezi frontou tekutého kovu a polystyrenem se tedy vyskytuje plynová zóna. Protitlak plynu na druhé straně vyvolává potřebu více dimenzovat vtokový systém. Nálitky naopak díky tuhosti formy a endotermickému účinku pyrolýzy polystyrénu mohou mít mnohem menší rozměry nebo mohou být dokonce zrušeny. Struktura slitin s formováním do vazných směsí je podstatně dokonalejší, ale horší než při odlévání do kovové formy. U slitin, které jsou méně citlivé na rychlost chladnutí to má menší význam. Ve všech případech srovnávajících lití na polystyrénový model s odlitky vyráběnými na polokokilu, tzn. kokila obsahující písková jádra, byly mechanické vlastnosti zjištěné na výřezech z odlitků téměř shodné. Na povrchu odlitku mohou však vznikat povrchové vady s charakteristickým zvrásněním, které vyvolávají shluky lesklého uhlíku, který vzniká z rozkladu polystyrenu. Tomuto jevu se můžeme vyhnout použitím nových spalitelných modelů na bázi PMMA. Vznik velkého množství lesklého uhlíku může vést u nízkouhlíkových ocelí k nežádoucímu nalegování povrchových vrstev odlitku. Na druhé straně však lze použít odlévání na spalitelný model k povrchovému legování oceli i Cr k zvýšení jejich otěruvzdornosti. [8] Obr.1.4a Postup kovu ve formě u modelu z EPS
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 13 Obr.1.4b Postup kovu ve formě u modelu z PMMA Pyrolýza polymerů brzdí plnění plné formy roztavenou slitinou a na druhé straně generuje vznik pevných, kapalných a plynných produktů, ovlivňujících zdravost odlitků. Při 750 C vznikají monomery a jejich deriváty (u PSE styren, toluen, benzen; u PMMA metakrylát metylu). Produkty pyrolýzy kondenzují v písku po průchodu vrstvou nátěru. PSE tvoří 2x více kondenzátů. Na odlitcích byla vyzkoušena modelová směs PSE/PMMA (> 50 % PSE). Vzrostly tzv. uhlíkové vady (zavaleniny, uhlíkový šum a pod.). Naopak převládá-li PMMA (> 50 %), zmizel tento typ vad, ale zmetkovitost zůstala vysoká z důvodů: křehkosti a deformace modelů, praskání nátěru pod tlakem plynů z pyrolýzy. S podílem PMMA v modelové hmotě, roste doba plnění formy. Přechodem z PSE na PMMA se 1,7x prodlužuje doba plnění a roste objem plynů 2,2x. Čím je tedy vyšší plynatost modelu, tím více roste doba plnění formy. Předejít uhlíkovým vadám lze doporučit modely z PMMA, u tlustostěnných odlitků je lépe dát
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 14 přednost modelům z PSE pro nízký vývin plynů. Čelo kovu není tolik zpomalováno a je možno lépe dosáhnout přesného tvaru a vyhnout se přerušení lití z důvodu zatuhnutí čela proudu kovu. U PMMA kyslík oxiduje C za vzniku CO. Tím roste objem plynů, ale klesají uhlíkaté zbytky. [8] 1.2.2 Nevýznamnější vlivy na kvalitu v procesu Full mold Mezi významné faktory, ovlivňující u této metody výslednou kvalitu odlitků může zařadit především: hustota pěnového polystyrenu (a s tím související kvalita povrchu odlitku) druh písku, zejména pak jeho prodyšnost nátěr nanášený na model, který vytváří pracovní povrch formy. Tento povlak umožňuje dosáhnout potřebné kvality povrchu odlitku a zabraňuje pronikání kovu mezi zrnka písku. licí rychlost (závislá mj. na druhu litiny či licí teplotě) vtoková soustava 1.2.3 Vady vznikající u procesu Full Mold Existuje celá řada vad, které se ve zvýšené míře objevují u FM procesu. Jsou to zejména plynové vady - porezita, nezaběhnutí, vady povrchu a vady spojené s penetrací kovu, tedy zapečeniny a hluboké připečeniny. Vznik těchto vad je spojen buď s výskytem vedlejších produktů rozkladu, vznikajících při spalování polystyrenu, nebo s tuhnutím taveniny ještě před vyplněním formy z důvodu rychlého snížení teploty a rychlosti postupujícího roztaveného kovu. Obr. 1.5 Bublina Vada se objevuje nejčastěji opět v horních částech odlitku nebo v místech s vodorovnými plochami. Na této vadě se nejvíce podílí voda z nedostatečně vysušeného nátěru nebo zachycená zkondenzovaná voda při vysoké vzdušné
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 15 vlhkosti. Při odlévání způsobuje vodní pára protitlak a nátěr produkty degradace nestačí převést do formovacího materiálu. Obr. 1.6 penetrace Nejčastějším místem vzniku této vady jsou spodní části nebo tepelně exponované partie odlitku, případně místa s porušeným nebo slabým nátěrem. Další příčinou bývá také špatně zhutněný formovací materiál. Obr. 1.7 utržení odlitku Příliš velký rozdíl mezi objemovou hmotností kovu a polystyrenu a příliš malá vrstva formovacího materiálu nad odlitkem způsobí vlivem metalostatického tlaku odtržení části odlitku. Nejvyšším stupněm je vyplavání části odlitku na hladinu
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 16 formovacího materiálu. Vzniku vady může zamezit vyšší vrstva písku nad odlitkem, zatížení formy nebo použití vakua. Obr. 1.8 řídký povrch Příčinou vzniku vady je použití pěnového modelu se špatně vypěněným polystyrenem. V průběhu namáčení zateče nátěr do volných prostor mezi jednotlivé kuličky polystyrenu. Zatečený nátěr brání kovu ve vyplnění těchto prostor, a tím dojde ke zkopírování původní vady modelu. [8] 1.2.4 Ekologické aspekty výroby na vypařitelný model Technologické procesy používané při výrobě odlitků jsou spojeny s mnoha riziky. Problémy často způsobuje už samotné tradiční lití slévárenských forem. Jedná se o různé znečišťující látky, znečištění ovzduší, hluk a mnoho jiných faktorů, škodlivých jak lidskému zdraví, tak přírodnímu prostředí. Použití technologie FULL MOLD tento problém bohužel ještě dále prohlubuje. Z výzkumů a údajů, uvedených v odborné literatuře vyplývá, že v závislosti na teplotě odpařování PS formy nedochází pouze ke změně celkového objem vytvořeného plynu ale i ke změně jeho chemického složení (prvků nebo chem. sloučenin) a jejich kvantitativního zastoupení v plynné směsi. Zatímco při nižších teplotách jsou uvolňovány uhlovodíky jako benzen, toluen a styren, při vyšších teplotách se zvyšuje obsah CO, CO2, CH4 a H2. Současně s nárůstem teploty se tedy zvyšuje celkový objem plynu, vyloučeného při vypařování PS modelu. Zvýšený objem plynné směsi pak zvyšuje tlak plynu v dutině formy což má zase za následek přítomnost plynových vměstků nejprve v tavenině a pak i v hotových odlitcích. Vývin plynu může dosahovat až hodnot 3200 cm 3 /g polystyrénu.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 17 2 POSTUP VÝROBY ODLITKU NA VYPAŘITELNÝ MODEL 2.1 Zhotovení vypařitelného modelu 2.1.1 Materiál Pro zhotovení vypařitelných modelů se jako materiál využívá speciální expandovaný slévárenský polystyren (EPS). Ten proti klasickému typu polystyrenu (stavební, obalové hmoty ) neobsahuje zhášedla, brzdící jeho hoření. Další důležitou vlastností tohoto materiálu je jeho měrná hmotnost. Jako optimální hodnota modelů určených ke spálení je uváděna hodnota kolem 20 kg/m3. Vyšší hustota PS hmoty má sice výhodu ve větší pevnosti a odolnosti proti případnému poškození a deformacím při neopatrném formování, nicméně přímo úměrně s tím také větší vývin plynu a nežádoucích látek tvořených při spalování modelu. Sledovaným parametrem u tohoto druhu materiálu je také soudržnost jeho struktury. [3] Kromě uvedeného nejpoužívanějšího EPS je třeba také zmínit alternativní materiály pro výrobu vypařitelného modelu. Jsou jimi PMMA (polymetylmetakrylát) nebo copolymer. Polyakrylát se používá zejména v USA a Japonsku, nevýhodou je vysoká cena. Ekonomicky přijatelnější je směs polyakrylátu s polystyrenem. [8] Dodavatel firmy ZPS Slévárna a.s. v oblasti PS materiálu fy Sepas Zašová a.s. nabízí konkrétně pro slévárenské účely dva druhy materiálů označených jako EPS LPM 20 (20-22 kg/m3) a EPS LPM 30 (30-32 kg/m3). Pro účely výroby odlitků na vypařitelný model je ve slévárně využíváno první varianty s menší měrnou hmotností. 2.1.2 Způsob zhotovení modelu Nejpodstatnějším aspektem výroby odlitku na vypařitelný model je samotná výroba PS modelu. V zásadě rozlišujeme dva základní způsoby výroby PS modelu: - Pro velkosériovou výrobu se model nebo jeho části vyrábí v kovových zpěňovacích formách. Výhodou je možnost výroby modelů ve velkých sériích v krátkém čase, nevýhodou naopak vysoké náklady na výrobu takových forem. Cílem je vyrobit ve formě co nejúplnější model ve tvaru budoucího odlitku. Modely složitějších tvarů je často nutné vyrobit ve více formách a následně jednotlivé části spojit do jednoho celku. Lepidlo však vnáší do budoucího odlitku další množství zbytkového uhlíku, což zvyšuje zmetkovitost odlitků. Je tak třeba použití lepidel minimalizovat. - V kusové výrobě se model zhotovuje lepením, řezáním, nejčastěji však obráběním PS bloků za pomocí CNC obráběcích center. Často jsou při obrábění tohoto materiálu využívány speciální duté nástroje, jejichž středem se odsává velmi jemný obrobený materiál. Mezi nevýhody u výroby PS modelů obráběním lze zařadit praktickou nevyužitelnost vznikajícího odpadu. Kusový odpad lze vrátit dodavateli na další
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 18 zpracování, ovšem pro jemný odpad, vzniklý při obrábění, se u konkurenčních firem, zabývajících se tvorbou PS modelů, ani po letech nepodařilo nalézt patřičné využití. Ač by mohl najít využití například při zateplování budov, není o tento druh materiálu mezi firmami, fungujícími v tomto sektoru trhu, zájem. U obou způsobů výroby PS modelu je třeba počítat s jednou velmi významnou vlastností polystyrenové pěny, kterou je její objemová a tvarová nestálost. Protože je polystyren vyráběn za pomocí páry, obsahuje určitou vlhkost, která je sama o sobě pro oblast slévárenství nežádoucí. Čerstvě vyrobený polystyren postupně vysychá a tím mění i své rozměry. Jedná se o negativní vlastnost, se kterou výrobce modelu musí počítat. Toto zrání polystyrenu trvá až 5 týdnů a je třeba s těmito okolnostmi počítat při jednání s dodavatelem, nebo mít vyhrazeny dostatečně velké prostory pro uskladnění, kde dojde ke stabilizaci čerstvě vyrobeného EPS. Rovněž vystavení nepříznivým klimatickým podmínkám může, stejně jako u dřevěných modelových zařízení, mít za následek rozměrové změny už zralých modelů. Nelze nezmínit ani poslední a zároveň nejnovější metodou výroby vypařitelných modelů - užití metod Rapid prototyping. Vypalitelný polystyrenový model se dá zhotovit za využití metod rychlého prototypování. Polystyrénový 3D model je při tomto způsobu výroby zhotoven po vrstvách (desetiny mm) na principu podobném 3D tiskárnám. Konkrétně se jedná například o SLS (Selective Laser Sintering) - Plastic metody. Pomocí speciálního tvrdého polystyrenu Primecast 101, který nabízí německá firma EOS, se dají zhotovit tvarově velmi složité modely odlitků. K tvorbě modelu je potom určeno jedno ze zařízení z přístrojové řady EOSINT P. Následuje již klasické zaformování a odpaření modelu litím kovu. Alternativní možností je použití metody CastFormTM americké firmy 3D Systems. 2.1.3 Technologické specifika Protože model není určen k vytažení z formy, nemusí být na stranách opatřen úkosy, nemusí mít žádnou dělící rovinu a jeho tvarové možnosti jsou v podstatě neomezené. Vzhledem ke křehkosti použitého materiálu je nicméně limitován tloušťkou stěn. Její minimální hodnota souvisí s měrnou hmotností použité polystyrenové pěny. Model by měl být nicméně navržen tak, aby nehrozilo u jeho jednotlivých částí poškození či deformace, ke kterým dochází nejčastěji při pěchování písku ve formě. Ke spojování jednotlivých částí modelu se používá speciální lepidlo na polystyren. Jak už bylo řečeno, je třeba se snažit kvůli zvýšenému množství plynu, vznikajícímu při hoření, jeho použití minimalizovat. Do jisté míry lze k účelům spojování využít i klasickou papírovou pásku. Tu lze s výhodou použít i při tvorbě rádiusů ve spojích.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 19 Nesporné výhody přináší polystyrenové modely při snaze o usměrnění tuhnutí z pohledu zachlazení určitých částí odlitku. Zde není potřeba využívat klasická chladítka ale do modelu lze zapíchnout přímo dráty různých průměrů a dosáhnout tak zachlazení konkrétních tepelných uzlů v odlitku. Velkou výhodou při lití na vypařitelný model je absence potřeby jader ve formě. Z toho plynoucí velkou výhodou při zhotovení polystyrénového modelového zařízení je absence jaderníků, což má velký dopad na celkové náklady na výrobu odlitku. U vrškových ploch je z důvodů hromadění nečistot a produktů spalování nutné počítat s většími přídavky 2.1.4 Nátěr Samostatnou kapitolou při přípravě modelového zařízení je jeho nátěr. Ten je velmi podstatným činitelem, ovlivňujícím budoucí jakost odlitku. Pro pěnové modely se používají převážně vodní nátěry. Hlavní funkcí nátěru je zajištění fyzikální bariéry mezi pískem a kovem. Další funkce nátěru: Odstranění plynných produktů z modelu Odstranění kapalných produktů z modelu Tepelná izolace Složení nátěru: Ostřivo Pojivo Povrchově aktivní látky Přísady proti sedimentaci Biologická ochrana Ostatní Tloušťka nátěru výrazně ovlivňuje celkovou prodyšnost. Obr. 1.5 zachycuje vliv prodyšnosti na dobu lití. Příliš nízká prodyšnost způsobuje dlouhou dobu lití, což může mít za následek vznik porózity a plynových vad (plyn nemůže uniknout). Příliš vysoká prodyšnost způsobuje zase příliš krátkou dobu lití. To může vytvářet turbulentní proudění, které je opět zdrojem porózity a plynových vad. Z důvodu nedostatečné absorpce kapalných produktů rozkladu pěny pak dochází ke vzniku zavalenin a studených spojů. [7] Pro správnou funkci nátěru je podstatné jeho kvalitní vysušení (vodíkové vady).
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 20 Obr.2.1 vliv prodyšnosti na dobu lití 2.2 Vtoková soustava Je vyráběna též z materiálu na modely, její dimenze musí zaručovat vysokou rychlost lití (stoupání hladiny kovu), aby mezera mezi modelem a hladinou kovu byla co nejmenší. Při pomalém stoupání hladiny roste mezera mezi kovem a modelem, kapalný styrén stéká na tekutý kov a tvoří se lesklý uhlík, uhlíkaté blány a saze. Tyto produkty termodestrukce modelové hmoty zhoršují přivrácenou plochu odlitku k hladině kovu (zavalování). Licí systémy mají výrazný vliv na výslednou jakost. Samotné lití je spojeno s určitým rizikem v důsledku tlakových vln. Vlastní vtokové systémy jsou specialitou každé slévárny. V zásadě se mohou používat dvě základní varianty, a to lití shora a lití na spodní vtoky. Vrchní vtoky jsou pro odvod plynů výhodnější. Od začátku lití je pro průchod plynů volná větší část plochy formy, hladina kovu je zásobena teplejším kovem, model se přívodem tekutého kovu zplyňuje rychleji. Má však výraznou nevýhodu v členité vtokové soustavě, která spolu se slepými výfuky ztěžuje pěchování horního rámu, do kterého je celá vtoková soustava situována. Časová náročnost aplikace vlastní přípravy modelu a formování je vyšší. Spodní vtoky jsou v praxi používány v širší míře. Jejich nevýhoda souvisí s menší plochou pro odvod plynů (tvoří ji pouze volný prostor mezi stoupajícím kovem a ještě nezplyněným modelem). Tím více se u této metody zvýrazňuje potřeba vysoké propustnosti plynů formovací směsi a nátěrů. Časová náročnost aplikace spodních vtoků je nižší než u horních vtoků. Při vyšších odlitcích se používá boční zaústění vtoků. Optimální rychlost stoupání hladiny kovu je uváděna v rozmezí 1 5 cm/s, což představuje velké rozmezí. Tuto hodnotu je vhodné si pro jednotlivé hmotnosti i tvarové představitele z hlediska vlastních podmínek v každé slévárně ověřit. [8] 2.3 Specifika formování vypařitelného modelu Nejvýznamnějším rozdílem formování vypařitelných modelů oproti konvenční metodě je přirozeně fakt, že se po zaformování model z formy nevytahuje. Nehrozí riziko případných oprav formy, odpadá nutnost opatřit dutinu formy žáruvzdorným nátěrem, neboť ten už na sobě nese polystyrenový model. Není nezbytná volba dělící roviny, model lze prakticky zaformovat do jednoho rámu.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 21 Samotné formování a pěchování je u této metody náročnější a je třeba počítat s nastavením delší doby zpracovatelnosti formovací směsi. Pěchovat je třeba opatrně, protože polystyrénový model je ze své podstaty náchylný k poškození a deformacím. Stejně náchylná k poškození je i vtoková soustava v případě, že je zhotovena z polystyrenu. U delších modelů je nutné vzít v úvahu nebezpečí prohnutí. Velkou výhodou je absence potřeby zakládání jader. Velmi jednoduše se dá u polystyrenových modelů usměrňovat tuhnutí. K ovlivňování tepelných uzlů se dá s výhodou využít drátů různých rozměrů, zapíchnutých do potřebných míst v modelu. Protože není forma odplyněna klasickým způsobem pomocí výfuků či otevřených nálitků, bývá často nutné zvýšit její prodyšnost napícháním formovací směsi směrem k modelům. 2.4 Specifika lití na vypařitelný model Velmi podstatný je u metody FULL MOLD vliv licí teploty na kvalitu procesu. Doporučuje se odlévat za vyšších teplot než u konvenčního lití. S teplotou lití přímo souvisí i rychlost plnění, u které je rovněž snaha o dosažení co nejvyšších hodnot. Licí rychlost ale u této metody ovlivňuje řada dalších faktorů jako je licí výška, materiál modelu, celková prodyšnost formy. Většinou platí, že licí rychlost je tak vysoká, kolik jí dovolí odpor modelu proti odpařování. U technologie FULL MOLD se často vyskytují PS vtokové soustavy. Vzhledem k vysokému vývinu plynů při odpařování polystyrenu je nutné počítat s bouřlivými reakcemi především na počátku lití. Plyn má obyčejně takovou sílu, že je schopen přetlačit v počátečních fázích plnění struskováku sloupec taveniny zpět do jamky, což může být velmi nebezpečné pro obsluhu pánví i nejbližší okolí. Je nezbytné víc než kdy jindy dbát na používání dostupných ochranných pomůcek. K nejdivočejším reakcím dochází tehdy, pokud jsou z polystyrenu i vtokové kůly. Pokud lze použít klasické dřevěné na vytažení, vždy je lepší je upřednostnit. Reakci lze také uklidnit litím na plnou jamku, kdy vytvářený plyn většinou již není schopen přetlačit sloupec taveniny. Stejně tak je pro tento účel výhodnější umístění licích kůlů na okraji struskováku (oproti umístění ve středu). 3 OPTIMALIZACE VÝROBY NA VYPAŘITELNÝ MODEL V PROVOZU FIRMY ZPS SLÉVÁRNA A.S. Na základě konzultací s panem Ing. D. Táborským z firmy ASK Chemicals, který se problematikou lití na vypařitelný model zabýval velmi dlouhou dobu, byl vypracován seznam konkrétních doporučení a zásad při výrobě odlitku metodou vypařitelného modelu. Některé jednotlivé body, považované za nejpodstatnější, byly pak dále ověřovány prakticky přímo ve výrobním procesu slévárny. Snahou bylo za pomoci konkrétních praktických zkoušek ověřit funkčnost daných doporučení v konkrétních výrobních podmínkách slévárny a pokusit se daný proces lití na vypařitelný model v těchto podmínkách optimalizovat.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 22 Souhrn doporučených zásad při výrobě na vypařitelný model: Přídavky na vrškových plochách Kvůli vzniku nečistot vznikajících při spalování PS pěny se vrchní plochy opatřují velkými přídavky. Falešné nálitky Pro zachycení (sběr) nežádoucích produktů spalin v odlitku se používají na horní ploše odlitku falešné nálitky. Ty jsou často konstruovány ve formě snadno oddělitelných klínů stejného materiálu, nebo mohou být použity např. exotermické nálitky (plnící jak dosazovací tak sběrnou funkci) apod. Vtoková soustva - měla by být podtlaková (klidně s přehnaným poměrem 1:2:4) - co nejvyšší rychlost plnění (viz kap. Mechanismy rozkladu) spodní plnění (kov musí stoupat modelem vzhůru) zaústění zařezů z více stran obvykle křehká vtoková soustava, někdy nutné její vyztužení, zvýšená opatrnost při formování Materiál Používá se speciální slévárenský polystyren, který neobsahuje zhášedla, která mají zhoršovat odpařování. Zkušenosti některých firem z oboru nicméně hovoří pro pravý opak, kdy lepších výsledků dosahují s materiálem zhášedla obsahujícím (DSB Blansko). Licí teplota, rychlost lití Mezi oběma veličinami existuje přímá úměra. Doporučuje se odlévat za vyšších teplot maximální rychlostí. Na licí rychlost má vliv také prodyšnost formovací směsi. Nátěr (břečka) Je plynopropustný. Je třeba hlídat nanesení v optimální vrstvě (většinou 2 nátěry po 24 hodinách) a též dobré proschnutí nátěru (možný vznik vad). Prodyšnost formovací směsi Při spalování polystyrenu dochází k velkému vývinu plynů, násobícímu obvyklý objem plynů vznikajících ve formě. Používaná směs ve slévárně Vodní sklo + Esterol je po vytvrzení poměrně neprodyšná. Částečně si lze pomoci napícháním formy před ztuhnutím formovací směsi směrem k modelu. Pro enormní tlaky ve formě nelze použít klasických výfuků. Formování Vzhledem ke křehkosti použitého materiálu je nutné opatrné pěchování. Často dochází k deformacím na modelu, způsobeným pěchovačkou, velkou hmotností formovací směsi, neopatrnou manipulací apod. Kvůli složitějšímu formování je také doporučeno nastavení delší doby zpracovatelnosti.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 23 Zachlazení tepelných uzlů K tomuto účelu se s výhodou používá drátů různých průměrů zapíchnutých do polystyrénového modelu v místech, kde je třeba usměrnit tuhnutí. 3.1 Zkouška nálitků Jedním z nejzásadnějších problémů metody Full Mold je kontaminace taveniny produkty vznikajícími při spalování polystyrenového modelu. Je sice pravda, že nejpodstatnější část polystyrenového materiálu se při tak vysokých teplotách doslova odpařuje a ve formě plynu uniká do okolního písku (jak bylo popsáno v úvodní části této práce), nicméně část těchto produktů v odlitku přece jen zůstává v pevné formě. Tyto nečistoty se hromadí zejména ve vrchní části odlitku. Jedním ze základních technologických opatření je stanovení dostatečně velkých přídavků v oblastech s předpokládaným výskytem těchto vměstkových vad. Dalším nástrojem, jak minimalizovat obsah těchto nežádoucích vměstků je použití tzv. falešných nálitků. Ty fungují jako lapače těchto nečistot. Lze použít nálitky rozličných tvarů, ze stejného materiálu jako samotný model, napojených na odlitek v místech, kde je předpokládán výskyt tohoto druhu vměstků. Stejně tak lze ale použít prázdných exotermických nálitků. Druhou, vedlejší, avšak neméně podstatnou funkcí těchto nálitků je skutečnost, že na odlitku zvyšují celkovou plochu, přes kterou mohou unikat vytvářené plyny do formy a umožňují tak rychlejší plnění formy a lepší odvod plynů. V závislosti na velikosti, tvaru a počtu takových nálitků pak mohou plochu tohoto únikového rozhraní forma odlitek zvýšit velmi podstatně, což je samozřejmě pro daný proces žádoucí. 3.1.1 Příprava zkoušky Hlavním myšlenkou při zkouškách nálitků byla snaha o nalezení ideálního poměru mezi objemem nálitků a objemem odlévané součásti tak, aby bylo dosaženo výroby co nejzdravějšího odlitku. Zkoumán byl také vliv velikosti, typu, rozmístění i orientace nálitků. Při první prováděné zkoušce nálitků byly jako zkušební tělesa použity 4 identické polystyrenové modely ve tvaru kvádru o rozměrech 500 x 400 x 300 mm. Takto objemově rozměrné modely (každý o objemu 60 dm 3 a hmotnosti budoucího odlitku cca. 440 kg) byly voleny s cílem dosáhnout co největšího vývinu plynů a nečistot vznikajících při odpařování polystyrenového materiálu. Jednotlivé modely se lišily použitými nálitky, umístěnými ve vrchní části modelu. Model č. 1 opatřen 4 ks exotermických nálitků s označením TX4. Každý nálitek zachytává 10 kg litiny. Model č. 2 je opatřen rovněž 4 kusy nálitků, ovšem vyrobených z polystyrenu. Velikost nálitků je totožná s vnitřními rozměry nálitků TX4. Rovněž tedy každý zachytává 10 kg litiny.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 24 Model č. 3 opatřen 5 ks menších exotermických nálitků. Jeden zachytí 2,8 kg taveniny. Model č. 4 čistý model bez nálitků sloužící k porovnání s předešlými vzorky. Základním předpokladem při návrhu vtokové soustavy byly 2 hlavní aspekty. Umožnit co možná nejrychlejší plnění formy a to za využití podtlakové vtokové soustavy. Řídícím průřezem tedy byly 2 licí kůly o průměru 60 mm s celkovou plochou průřezu 56 mm 2. Struskovák byl spočítán na průřez 35 mm 2. Jednotlivé zářezy pak byly dimenzovány na celkový průřez 80 cm 2 (8 x 10cm 2 ). Odlitky byly odlity ze šedé litiny ČSN 42 2425. Mezi pokyny pro tavírnu byl požadavek na lití za zvýšených teplot. Obr. 3.1 Polystyrenové modely ke zkoušce nálitků 3.1.2 Průběh zkoušky Příprava modelů Jako materiál při přípravě modelů byl použit polystyrenový blok EPS LPM 20 od výrobce Sepas Zašová a.s. Tento materiál neobsahuje zhášedla a jeho měrná hmotnost se pohybuje v rozmezí 20 22 kg/m 3. Každý z modelů byl natřen speciálním žáruvzdorným nátěrem (břečkou) POLYTOP FS, určeným pro využití právě při lití na vypařitelné modely. Nátěr byl dle doporučení výrobce nanášen ve dvou vrstvách, po první vrstvě následovalo 24 hodinové vytvrzení na vzduchu. V místech, které měly být vybaveny exotermickými nálitky, byla dle jejich rozměru vynechána vrstva nátěru, jak lze vidět na obr. 3.1. Formování
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 25 Modely byly formovány do vrchního rámu o rozměrech 1600 x 1600 x 600 mm. Použitý struskovák měl průřez 35 cm 2 a délku 110 cm. S ohledem na zajištění co nejsrovnatelnějších podmínek při lití byly modely rozloženy v rámu dle obr.3.2 s vtokem situovaným ve střední části struskováku. Aby nedošlo k poškození modelu při formování, byl kladen důraz na opatrné pěchování postupným ušlapáním bez použití ručních pěchovaček. Po zatuhnutí směsi byl na vrchním rámu odformován i spodkový rám. K modelům byly doškrábnuty zářezy a celá vtoková soustava byla natřena žáruvzdorným lihografitovým nátěrem. Dělící rovina byla po obvodu opatřena kitem, bránícím případnému vytečení taveniny přes dělící rovinu. Kompletní rám byl vybaven plechovou licí jamkou. Obr. 3.2 Rozložení modelů v rámu Lití Po zkušenostech s velmi divokým průběhem lití při použití polystyrenové vtokové soustavy byla hlavně z důvodu bezpečnosti při odlévání navržena klasická soustava s vytažením struskováku i kůlů při formování, což umožňovala volba dělící roviny. S cílem zajistit co nejlepší filtrování plynů a spalin přes pískovou směs nebyla forma při pěchování napíchána pro zlepšení celkové prodyšnosti formy. Vzhledem k objemu odlévané litiny (přes 2t ) a jednoduchému tvaru odlitků, díky němuž byla plocha přechodové vrstvy plynů mezi odlitkem a formou minimální, se toto řešení ukázalo jako nevhodné. Samotné plnění trvalo oproti původně zamýšleným 35 vteřinám, na což byla dimenzována vtoková soustava, více než dvojnásobnou dobu (80 s). Ke hlavnímu zbrzdění rychlosti plnění došlo po zhruba po 20 vteřinách od počátku lití, kdy odpor unikajících plynů rostl k maximální úrovni. V kombinaci se zmenšující se únikovou plochou pro vznikající plyny a poklesem účinné licí výšky došlo k velmi výraznému poklesu samotné licí rychlosti.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 26 3.1.3 Vyhodnocení výsledků Jak se ukázalo, tlakové podmínky ve formě do značné míry ovlivnily celkové výsledky zkoušky. Na obrázku 3.3 je po otryskání vzorků vidět, že prakticky u všech odlitků došlo na povrchu ke vzniku vady č. 414 (dle atlasu vad odlitků zhotoveného podle normy ČSN 42 1240) zvané zahlcený plyn. To bylo do značné míry způsobeno souběhem několika faktorů. Příliš nízký vrchní rám formy vzhledem k rozměrům odlitku (viz obr.3.2) a nedostatečná dimenze nálitků způsobuje nízký metalostatický tlak v tuhnoucím odlitku (příliš malá výška sloupce kovu nad úrovní tuhnutí). Ve spojení s nadměrným vývinem plynu při odpařování polystyrenu a velmi malou přechodovou plochou pro odvod plynu do formy tak vznikají ideální podmínky pro výskyt uvedené vady. Obr. 3.3 Odlitky s vadou Zahlcený plyn Kromě výše uvedené vady byl zaznamenán na vrchní části odlitku v prostoru mezi nálitky rovněž výskyt vybolouneniny (vada č. 231) způsobené nedostatečným vypěchováním formovací směsi v této oblasti. Vada se sice častěji vyskytuje ve spodních částech odlitků v místech s vysokým metalostatickým tlakem, nicméně dalším významným faktorem bývá právě nízké upěchovaní okolní formovací směsi. Tento nedostatek ale nelze v případě formování polystyrenových modelů plně odstranit. Nicméně pevnost použité formovací směsi s vodním sklem vytvrzeným esterolem je v porovnání s jinými typy směsí velmi dobrá. Tento konkrétní odlitek je, co se týká svých rozměrů, dost specifický a v případě vhodnějšího typu odlitku by k této vadě docházet
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 27 běžně nemělo. Ke vzniku této vady přispěly také nevyhovující tlakové podmínky ve formě způsobené nadměrným vývinem plynu a nedostatečným odplyněním. U modelu č. 1 a 2 (vybavených většími typy nálitků) byl navíc zaznamenán právě v oblasti kolem nálitků výskyt hlubokých připečenin zapečenin (vada č. 213). Ty se často vyskytují u masivnějších odlitků v tepelně exponovaných oblastech jader a forem. Výše uvedené je zde splněno, navíc ke vzniku vady přispělo i nedostatečné upěchování v místě styku modelu a nálitků. Kov má pak větší sklon k penetraci do písku. Nutno dodat že ke vzniku tohoto typu vad dochází rovněž při lití za zvýšených teplot, což může v našem případě nést také svůj podíl. U všech vzorků byl zaznamenán výskyt zapečenin také na předpokládaném místě v oblasti zářezů, kde dochází rovněž k nadměrnému tepelnému zatížení formy. [6] Obr. 3.4 Oblasti výskytu hlubokých připečenin Zkouška rovněž ukázala, že zvolené nálitkování bylo z kapacitního hlediska nedostatečné. Je nutné zde připomenout, že pojem nálitkování zde není vnímán ve svém klasickém technologickém smyslu jako využití nálitků pro dosazování materiálu při tuhnutí, ale zde nálitky mají sloužit především jako lapače nečistot, vznikajících při odpařování polystyrenu. Obzvláště u modelu č. 3 s nejmenšími nálitky byl vidět minimální rozdíl proti modelu bez nálitků.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 28 Obr. 3.5 Porovnání odlitku č.1 a 2 Zkouška ovšem také přinesla jeden velmi významný poznatek. Při porovnání modelů č. 1 a 2 s totožnou velikostí nálitků byl nalezen podstatný rozdíl v jakosti povrchu na vrškové ploše obou odlitků (obr.3.5). Zatímco u odlitku č. 2 opatřeném polystyrenovými nálitky byly zaznamenány všechny výše uvedené vady, u modelu č. 1 opatřeném exotermickými nálitky jsme se setkali s vadou zahlcený plyn i vybouleniny ve velmi omezené míře. To lze přisoudit hlavně příspěvku prázdných nálitků ke zlepšení tlakových podmínek ve formě. Zatímco polystyrenové nálitky byly samy zdrojem dalšího vývinu nežádoucího plynu. Z toho plyne také lepší sběrná funkce prázdných nálitků oproti nálitkům ze stejného materiálu jako model. Nejlépe ze zkoumaných vzorků, jak už bylo naznačeno, dopadl odlitek č.1 se čtyřmi 10kg exo nálitky. Kromě zapečenin v okolí krčků nálitků a mírné vybouleniny v jeho středu byl povrch pohledově poměrně čistý s minimem plynových vad. Z důvodu přítomnosti výše uvedených vad již vzorky dále nebyly zkoumány pomocí destruktivních metod kontroly. 3.2 Zkouška nálitků II Druhá zkouška se zaměřila opět na téma nálitků. Cílem bylo za pomocí poznatků z předcházející zkoušky provést reprezentativnější zkoumání daného vlivu nálitků na jakost odlitku vzniklého pomocí metody FULL MOLD. Vzorky již budou porovnávány za pomocí nedestruktivních (pohledová, ultrazvuk) i destruktivních metod kontroly (obrábění). Cílem zkoušky bylo za pomocí vhodněji zvoleného nálitkování ověření vlivu počtu a rozmístění nálitků na konečnou jakost odlitku. Zkoumal se taký vliv orientace odlitku ve formě. Součástí zkoušky byl i pokus o nalezení vhodného číselného poměru mezi objemem odlitku a dostatečným objemem nálitků tak, aby odlitek neobsahoval žádné vady a nečistoty.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 29 3.2.1 Příprava zkoušky Jako reprezentativní zkušební vzorky byly zhotoveny modely ve tvaru kvádru (pro snadnější následné obrábění) o rozměrech 400 x 300 x 165 mm (objem 20 dm 3 ). Čistá hmotnost jednoho odlitku byla spočtena na 145 kg. Jednotlivé modely byly rozlišeny římskými číslicemi I až V. Modely s označením I. až III. leží v dělící rovině na své nejširší straně (jsou situovány naležato ). Liší se počtem použitých nálitků podle obrázku 3.6. Modely IV a V jsou pak ve formě situovány nastojato. Nejmenší plochou se tečně dotýkají dělící roviny a jsou vybaveny jedním (model V) respektive dvěma (model IV) nálitky (viz. Obr. 3.6). Všechny vzorky jsou osazeny exotermickými nálitky, každý z nich pak bere 10 kg taveniny. Při výpočtu vtokové soustavy bylo opět uvažováno s podtlakovou vtokovou soustavou (řídící průřez - licí kůly). S ohledem na co největší možnou rychlost plnění (70 100 kg/s) byla navržena vtoková soustava s řídícím průřezem 56 cm 2. Ten zajišťovaly dva licí kůly o průměru 60 mm, napojené ve středu struskováku tak, aby byly zajištěny srovnatelné podmínky při plnění formy pro všechny porovnávané vzorky. Struskovák o průřezu 35 cm 2 doplňovaly zářezy dimenzované zhruba na celkových 90 cm 2. Kromě uvedených modelů byly v rámci jednoho rámu a společné vtokové soustavy zaformovány a odlity i vzorky týkající se jiné zkoušky (zkouška nátěrů). Obr. 3.6 Rozložení modelů ve formě
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 30 Odlitky byly odlity ze šedé litiny ČSN 42 2425. Mezi pokyny pro tavírnu byl požadavek na lití za zvýšených teplot. 3.2.2 Průběh zkoušky Příprava modelů Jako materiál při přípravě modelů byl použit polystyrenový blok EPS LPM 20 od výrobce Sepas Zašová a.s. Tento materiál neobsahuje zhášedla a jeho měrná hmotnost se pohybuje v rozmezí 20 22 kg/m 3. Každý z modelů byl natřen speciálním žáruvzdorným nátěrem (břečkou) POLYTOP FS specifické zelené barvy, určeným pro využití právě při lití na vypařitelné modely. Nátěr byl dle doporučení výrobce nanášen ve dvou vrstvách, po první vrstvě následovalo 24 hodinové vysušení na vzduchu. V místech styku exotermických nálitků s modelem, byla dle jejich rozměru vynechána vrstva nátěru. Všechny modely vybaveny uchy pro snažší manipulovatelnost. Formování Modely usazené na modelové desce byly formovány do vrchního rámu o rozměrech 1250 x 2000 x 800 mm společně s dřevěným sruskovákem a kůly. Vtoková soustava byla tedy opět navržena s vytažením struskováku a kůlů při formování, neboť to opět umožňila volba dělící roviny. Bylo tak zajištěn klidnější a především bezpečnější začátek plnění formy. Obr. 3.7 Pěchování vrškového rámu Po opatrném upěchování bez použití hydraulických ručních pěchovaček byla forma z bočních stran přes otvory v rámu a z vrchní strany napíchána tenkým drátem (viz. Obr 3.8). To mělo snížit odpor formy proti úniku vznikajících plynů a zvýšit tak celkovou prodyšnost. Kladen byl především důraz na to aby nebyla
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 31 forma napíchnuta až do modelu, což by mělo za následek následný únik taveniny při lití. Pro ještě lepší odvod plynů z dutiny formy byl nad každým nálitkem zaformován Obr. 3.8 Výfuky nad nálitky, napíchnutí formy výfuk, jak je patrné z obrázku 3.8. Odlitek tak nebyl přímo spojen s okolní atmosférou, což by bylo nežádoucí pro účinné zplynování polystyrénového materiálu, výfuk a odlitek oddělovala stěna víka exotermického nálitku. Ta má ovšem dobrou prodyšnost a umožňuje únik naakumulovaných plynů. Po vytvrzení směsi byly výfuky zasypány zlehka formovací směsí ve snaze zvýšit filtrační schopnost formy zachytávat spaliny vznikající při odpařování polystyrenu. Po otočení rámu byl vyjmut struskovák a doškrábnuty zářezy. Obojí pak bylo natřeno ochranným žáruvzdorným lihografitovým nátěrem. Na čisté modelové desce byl odformován spodkový rám (výška 400 mm) a kompletní forma vybavena plechovou licí jamkou. Lití Již při samotném lití se ukázal přínos pečlivého odplynění formy. Plnění formy probíhalo rychle a spojitě po celou dobu lití. Celkový licí čas byl 22 s a forma si vzala 1380 kg litiny. To odpovídá rychlosti plnění formy kolem 70 kg/s což je hodnota velmi blízko té, na kterou byly dimenzovány parametry vtokové soustavy. Samozřejmě rychlost plnění formy je v první řadě limitována rychlostí odpařování polystyrénových modelů. Na rychlém plnění formy se podílel také větší metalostatický tlak díky vyššímu vrškovému rámu (800mm). Jak lze vidět na obrázku 3.9, plyny unikaly celou formou po stranách i vrchem, nejvíce pak výfuky nad nálitky. Na boční straně došlo při lití k vytečení kovu (obr.3.9). To bylo způsobeno patrně napíchnutím formy příliš blízko k tělu odlitku. Naštěstí byla licí jamka dostatečně rozměrná a unikající taveninu, jak se ukázalo po vytlučení odlitků, dokázala plně dosadit, takže výsledky zkoušky nebyly znehodnoceny.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 32 Obr. 3.9 Oblast úniku kovu z formy 3.2.3 Vyhodnocení výsledků NDT Nedestruktivní metody kontroly Vizuální kontrola Po vytlučení bylo na tepelně méně exponovaných místech možno pozorovat zbytky žáruvzdorného nátěru, který v těchto místech dokonale oddělil odlitek od okolní pískové směsi. V tepelně více namáhaných místech pak už byla nalepena na odlitku vrstva spáleného písku snadno oddělitelná tryskáním a v nejvíce exponovaných oblastech (v okolí zářezů a nálitků) pak byly přítomné zapečeniny, které musely být odstraněny na cídírně.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 33 Obr. 3.10 Žáruvzdorný nátěr odlitku Při porovnání odlitků s označením I III litých naležato byly srovnávány vrchní stěny odlitků a jednoznačně nejhorší povrch byl dle předpokladu pozorován u odlitku č. I (obr. 3.11). Zejména v místech vzdálenějších od nálitku je patrný vznik povrchových vad. Nesrovnatelně lépe vypadal povrch u odlitku č. II (obr. 3.12) na kterém jsou pozorovatelné povrchové vady již pouze lokálně. Nicméně zde byla zase díky většímu tepelnému namáhání, způsobenému dvěma sousedícími nálitky, výraznější stopa zapečenin. U odlitku č. III (obr.3.13) byl jak povrch odlitku, tak vzniklá zapečenina na podobné úrovni jako u odlitku II. Nejvýrazněji zapenetroval kov v očekávaném místě, tedy ve středu všech tří nálitků.
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 34 Obr. 3.11 Povrch odlitku č. I Obr. 3.12 Povrch odlitku č. II
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 35 Obr. 3.13 Povrch odlitku č. 3 Povrch odlitků na všech ostatních plochách kromě vrchní byl u všech třech zkoumaných vzorků srovnatelný, bez zjevných slévárenských vad. Stejně tomu bylo u odlitků IV a V litých nastojato. Obr. 3.14 Povrch odlitku č. IV (vlevo) a V
FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 36 Velmi dobré povrchové jakosti se podařilo dosáhnout shodně u odlitků IV a V (obr. 3.14). U obou se nevyskytovala ani vada hluboké připečeniny zapečeniny. Kontrola ultrazvukem Mezi nedestruktivní metody kontroly se řadí rovněž kontrola ultrazvukem. Ultrazvuk je vlastně mechanické kmitání částic prostředí s frekvencí nad 20 000 Hz. Touto metodou lze zjišťovat kromě vnitřních vad materiálu i jiné informace jako měření délek, tlouštěk a některých mechanických vlastností materiálů (např. tvrdost). Rovněž lze pomocí ultrazvuku rozeznat druh litiny (šedá tvárná). U zkoumání vnitřních vad lze metodou získat informace o poloze a velikosti vady. Zkoušky ultrazvukem se provádí za pomocí přístroje a zkušebních sond. Ve firmě ZPS Slévárna a.s. je pro měření k dispozici přístroj USM 35 německého výrobce Krautkrämer a 1, 2 či 4 Mhz sondy o průměru 24 mm. Princip ultrazvukové metody: Sonda, přiložená k povrchu odlitku do něj vysílá opakovaně impulzy po několika ms až setinách sekundy. Když sonda právě nevysílá, je přepnuta do příjmového režimu. Přes vazebné médium (voda, olej) pronikají akustické impulzy do odlitku. Přijímač čeká na odražený impulz od vnitřní vady nebo zadního povrchu stěny. Odrazy akustických vln se znázorní na displeji ultrazvukového přístroje vadovým nebo koncovým echem o výšce Vn a Vk s roztečemi od počátečního echa úměrnými hloubce vady či tloušťce stěny. Výška echa je úměrná množství odražené energie, které nemusí být vždy úměrné velikosti vady. Při stejné velikosti vady s rostoucí vzdáleností od sondy klesá výška echa vlivem rozptylu a pohlcování akustických vln na struktuře (útlumu α). [4] S obsahem grafitu v litině roste i útlum amplitudy akustických kmitů, což velmi omezuje detekci vad v materiálech jako LLG. Pro samotné zkoušení nejsou rovněž vhodné větší tloušťky materiálu. I přes výše uvedené byla u odlitků provedena zkušební kontrola za pomocí 2 MHz sondy (LLG lze zkoušet do 2 mhz).